動手學科學/物質科學Ⅲ/光波與光速

一、透明

1. 再說明電磁波光譜
2. 以不透明塑膠袋罩住紅外線遙控器，觀察紅外線是否能穿透「塑膠袋」？「塑膠袋」對紅外線是否透明？
3. 看以下兩張維基百科圖照。
   
   
   
4. 看影片

參考資料

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微波爐算光速

目的

讓學生瞭解可以從微波爐與簡單的紙筆或巧克力算出光速

原理

微波在微波爐中傳遞的時候會產生電磁波動的駐波，讓水分子隨著電場波動按照電場排列。
若是在電場變化最劇烈的點(波峰或波谷)，會讓水分子之間或與其他物質互相摩擦產生熱能，讓該點溫度上升。 若要受熱均勻就要加入旋轉盤，讓每個點都能被均勻加熱。
(補圖 電磁波動 駐波)

微波爐的微波頻率選擇除了要讓食物吸收還要穿透進食物，若是頻率太低，會讓大部分的波穿透過去而無法吸收，若頻率太高，會在表面就被吸收而進不了食物。所以微波爐選用的2450MHz就是在實驗過後加熱效果最佳的專用頻率。
(補圖 頻率高低影響)

微波和可見光都是一種電磁波，電磁波是一種非力學波(不需要介質即可傳遞)，在真空中無論甚麼頻率都是299,792,458 m/s (3*10^8 m/s) 也不會因為跟觀察者有相對運動而改變數值。

場地

• 視學生人數安排得插電的室內空間。

材料準備

• 微波爐
• 白紙 3~5張
• 擦擦筆(黑色) 數支
• 片狀巧克力 數片

活動流程

活動一 白紙

1. 請同學用擦擦筆畫滿3張白紙，然後將第一張放進微波爐中加熱60秒。
2. 將微波爐中的旋轉盤拿掉後，放進第二章白紙，同樣加熱60秒，觀察紙張表面圖案與有旋轉盤時有何差異。
3. 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
4. 量出圖案的中心到中心距離，乘2倍之後乘上微波爐頻率(寫在微波爐側或後方)，並跟光速比較。

活動二 巧克力

1. 請同學將第一片巧克力放進微波爐中加熱60秒。
2. 將微波爐中的旋轉盤拿掉後，放進第二片巧克力，同樣加熱60秒，觀察融化狀態與有旋轉盤時有何差異。
3. 請同學改變微波時間40秒，20秒，分別觀察與記錄。
4. 量出融化點到融化點間之距離，乘2倍之後乘上微波爐頻率(寫在微波爐側或後方)，並跟光速比較。
5. 可參考下列影片(補影片)

注意事項

• 請勿將金屬或非實驗所需物品放進微波爐，也不要直視微波爐內，避免發生危險

探究問題

為何有旋轉盤時，筆跡會消失(巧克力全部融化)？

Ans: 因為微波爐旋轉會讓裡面的整片受熱均勻，筆跡就會全部消失(巧克力就均勻融化)。

為何拿走旋轉盤之後，會有圖案的改變(巧克力產生融化點)？

Ans: 微波會在微波爐內產生駐波，在波峰與波谷時能量最大，就會在波峰與波谷產生熱點，讓筆跡消失或是巧克力融化。

為何要乘兩倍？(補圖說明波長 波峰波谷)

Ans: 因為能量最大的點會是波峰與波谷，最相近的熱點就是鄰近的波峰波谷距離，所以要乘以二才會得到波長。

為何測出微波速度即為光速？(補圖 頻譜)(另外講多一點光速不變)

Ans: 光波與微波都屬於電磁波，因為電磁波不具有靜止質量，可以達到速率的上限，也就是光速。

生活中，有什麼光速不變的例子？

Ans: GPS、宇宙通訊等。

三、綠光干涉

(一)先備知識

• 光子和電子都具有：粒子/波雙重性，會出現類似的雙狹縫干涉條紋。
  1. 都遵守：λ =h/p ，波長＝普朗克常數／動量
  2. 對光子來說波振輻的大小代表電磁場的大小。
  3. 對電子來說，波振輻的平方等於等於電子出現的機率。

紅光	綠光	藍光	用200伏特加速的電子	用200伏特加速的質子	秒速40米150克的棒球
7×10-7	5.3×10-7	4.6×10-7	8.7×10-11	2×10-12	1.1×10-34

• 在微觀世界中，電子是可以「同時」出現在甲地，也「同時」出現在乙地，只是分別在甲地與乙地被找到的機率各有不同，其出現機率由波函數表達。
• 1927年，貝爾實驗室將電子射向鎳結晶，發現其繞射圖譜電子被證實有波的性質。
• 速度以每秒40米，質量為0.15公斤的棒球，其波長為 10^-34 ，比原子核還要小很多很多，根本測不出來。
• 1999年，富勒烯被測出有波的性質。

(二)操作

1. 每組發一隻雷射筆，一張紙，一支 0.5 mm 自動鉛筆芯，夾子大小各一，同學自備可調焦距的手機。
2. 每組三人以上分工，一人持夾子和雷射筆，並持筆芯中分雷射筆；一人拿紙和尺，映照出雙狹縫干涉條紋，並用刻度尺對準干涉圖樣；一人用手機拍下來。
3. 算出干涉條紋間隔。
4. 運用公式：

   光程差(1波長)／狹縫間距(0.5mm)＝sinθ ≈ tanθ=亮紋間隔／筆紙間距(約四米)

• 活動照片

實驗材料	筆芯史雷射光產生雙狹縫干涉	量測干涉條紋間距

• 注意：筆芯貼著雷射筆筆尖，垂直對準雷射筆中央，盡量剛好把雷射光切一半

(三)探究問題

請拍照上傳過程與結果照片。

Ans: 略

在紙上端正寫出組內分工以及計算波長的算式，並上傳照片。

Ans: 略

討論各組結果為何不同？

Ans: 實驗中有各種不同的誤差。

踢除極端值，全班各組做平均。

Ans: 略

上網查出綠光雷射的波長，並跟實驗數據做比較。

Ans: 比較誤差大小，是否在兩個數量級以內。